光拍法测光速的实验结果分析

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光拍频法测量光的速度

nn 1
=1.14×106
频率相近的两束光同方向共线传播，叠加成光拍频波，其强度包络的频率（光拍频）为两束光的频差。用斩光器依次切断光束①和②，则在示波器屏上同时显示光束①和②的拍频信号正弦波形。光如果直接测量的话，波长很好测，但是频率很难测，10 的 14 次方，属于高频段，一台高频的示波
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器相当的昂贵，所以我们选测光拍频法测光速，可以使得频率降低，方便测量。[2]本实验采取了光拍频波两种方法中的驻波法进行光波拍频，若超声波功率信号源的频率为 F= /2 , 则第 L 级衍射光的频率为
f L , m f o ( L 2m) F
式中 L,m=0, 士 1, ±2,..., 可见,除不同衍射级的光波产生频移外,在同一级衍射光内也有不同频率的光波。因此,用同一级衍射光就可获得不同的拍频波。同时要分析本实验的误差主要来源是相移对应的米尺的读数，可以通过固定其中一个可移动滑块，然后只动另一个滑块进行距离测量。 4 结论利用光拍频法在光速测定仪上测量光速，以近程光为基准，远程光移动相位差为 2π得到的距离差计算光速与光速公认值有一定的差距，这个可能是系统测量的误差和测量距离时读数的误差造成的。以近程光为基准，远程光移动相位差为π时，更加难以把握半波长移动的准确位置，并且最终测量计算的值偏差更大，应该在尽量减少实验误差的情况下精确光速的测量。参考文献： [1] 蔡秀峰，蔡德发. 光速测量方法的改进. 大学物理，2007，26（3）：44 [2]董有尔. 近代物理实验. 北京：科学出版社，2004：208～214 [3]吴先球，熊予莹. 近代物理实验教程. 北京：科学出版社，2009

光拍频波和光速测量

一、实验目的1．理解光拍频概念及其获得。

2．掌握光拍法测量光速的技术。

二、实验原理光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布,测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率,从而间接测出光速。

1、光拍的产生和接受根据振动迭加原理，两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。

假设有两列振幅相同(只是为了简化讨论)、角频率分别为ω1和ω2的简谐拨沿x 方向传播。

10111cos()E E t k x ωϕ=-+20222cos()E E t k x ωϕ=-+k 1=2π/λ1，k 2=2π/λ2称为波数，ϕ1和ϕ2称为初位相，这两列简谐波迭加后得：121212121202cos cos 2222x x E E E E t t c c ωωϕϕωωϕϕ--++⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫=+=-+-+⎪⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦ （1）E 是以角频率为122ωω+，振幅为12122cos 022x E t c ωωϕϕ--⎡⎤⎛⎫-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦的前进波。

注意到其振幅是以角频率122ωωω-∆=随时间作周期性的缓慢变化。

所以称E 为拍频波，其中122Fωωωπ-∆==∆,F ∆称为拍频。

s λ∆是拍的波长。

2、相拍二光束的获得假设超声波()(),cos 0u y t u t k y s s ω=-沿y 方向以行波传播,它引起介质在y 方向的应变为：()()00sin sin s s s s s u S u k t k y s t k y yωω∂==-=-∂ （2）若介质y 方向的宽度b 恰好是超声波半波长的整数倍,且在声源相对的端面敷上反射材料,使超声波反射,在介质中形成驻波声场,(),2cos cos 0u y t u t k y s s ω=g ，它使介质在y 方向的应变为：002cos sin 2cos sin s s s s s u S u k t k y s t k yyωω∂=-==∂ （3）即用同样的超声波源激励,驻波引起的应变量幅值是行波的两倍,这样光通过介质产生衍射的强度比行波法强的多,所以本实验采用驻波法。

光拍法测光的速度实验报告

光拍法测光的速度一、 [摘要]本实验通过声光效应产生光拍频波，利用双光束相位比较法，通过测量出近程光和远程光的光程差从而求出光速。

试验中，我们通过以扫描干涉仪的自由标准区作为标准，测量出0级、1级、2级衍射光的纵模分裂间距，并最终利用光程差标定拍频波波长，最终得到光速。

[关键词]声光效应光速纵模分裂双光束位相法二、 [引言]光速是最近本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多问题重大问题关系密切。

早在麦克斯韦光的电磁理论建立以前，人们已有了光具有一定传播速度的概念。

迈克尔逊和他的同事们在1879-1935年期间，对光速作了多次系统的测量。

实验结果不仅验证了光是电磁波，而且为深入地了解光的本性和为建立新的物理原理提供了宝贵的资料。

而1960年激光的出现以后，把光速的测量推向一个新阶段。

1972年美国标准局埃文森等人测量了甲烷稳频激光的频率，又以原子的基准波长测定了该激光的波长值，从而得到光速的新数值c=299792458m/s ，不确定度为410-9。

此值为1975年第十五届国际计量大会所确认。

本实验采用光拍法测定光速，通过实验使大家加深了对光拍频波的的概念的理解，了解了声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握了光拍法测量光速的技术。

三、 [实验原理]1、光拍频波根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍。

对于振幅都为圆频率分别为和，且传播方向相同的两束单色光四、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=1101cos ϕωc x t E E （1）五、⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-=2202cos ϕωc x t E E （2）它们的叠加为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+=22cos 22cos 221212121021ϕϕωωϕϕωωc x t c x t E E E E (3)当21ωω>,且21ωωω-=∆较小，合成E的光波带有低频调制的高频波，振幅为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--22cos 2121ϕϕωωc x t ，角频率为221ωω-。

光速测量研究性实验报告

光速测量一．惠更斯的测定的光速丹麦青年科学家罗默。

罗默生于奥尔胡斯, 在哥本哈根受过教育, 后来移居巴黎。

在罗默来巴黎的30年前, 意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到巴黎, 他对木星系进行了长期系统的观察和研究。

他告诉人们, 木星和地球一样也是围绕着太阳运行的行星, 但它绕太阳运行的周期是12年。

在它的周围有12颗卫星, 其中有4颗卫星特别亮, 地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的位置。

由于这些卫星绕木星运行, 隔一段时间就会被木星遮食一次, 其中最近木星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为42小时28分16秒。

罗默在仔细观察和测量之后发现, 这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同的, 并且当木星的视角变小时, 这个时间间隔要大于平均值。

1676年9月, 罗默向巴黎科学院宣布, 原来预计11月9日上午5点25分45秒发生的木卫食将推迟10分钟。

巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘预言, 但还是作了观测并证实了木卫食的推迟。

11月22日罗默在解释这个现象时说, 这是因为光穿越地球的轨道需要时间, 最长时间可达22分钟。

后来惠更斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据, 第一次计算出光速为2×108米/秒。

虽然这个结果很不精确, 但为光速的测定迈出了一大步。

二.法国科学家菲索的旋转齿轮法菲索为法国科学家，他让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过，再通过透镜变成平行光束，这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上，被平面镜反射后再沿着相反的方向返回齿轮，进入观察者的眼睛.当齿轮以某一速度转动时，观察者将看不到返回的光，这是因为光线从齿轮到达平面镜再回到齿轮时，恰好为下一个移来的齿所遮蔽，倘若使轮的转速增加1倍，光点又重新被看到了，因为返回的光恰好穿过下一个齿缝。

设轮.如果光速为C，齿轮与平面镜间的距离为l，那么.进行的。

齿轮的齿数是720个，计算光速为313，300公里/秒.可以看出结果与今天的精确值比较接近。

光拍频测量光速实验

近代物理学实验报告—光拍频法测量光速实验组员：付静静091204121陈聪091204120 实验班级：电信科学091班指导老师：李鸣2011-12-15一、实验目的1、掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一定初步了解；2、通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、实验原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加若有振幅相同为E0，圆频率分别为E1和E2（频差较小）的两光束：这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： ,上式是沿x 轴方向的前进波，其振幅为⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+=22cos 22cos 221212121021ϕϕϖϖϕϕϖϖc x t c x t E E E E因为振幅以频率为，周期性地变化，所以被称为拍频波，称为拍频，如果将光拍频波分为两路，使其通过同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差，两路光的光程差，之间的关系仍由上式确定，当时，恰为光拍波长，则：三、实验安装1. 滤波放大器由于He-Ne 激光器的噪声（噪声谱在25MHz 以下）和频移光束之中频率成分很复杂，致使光拍信号被淹没在噪声中，无法观察。

采用声表面波滤波器有效地抑制噪声，获得纯净的中心角频率为2Ω的光拍信号。

滤波放大器方框图如图五所示。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆22cos 2210ϕϕϖc x t E πϖ4∆=∆f f ∆ϕ∆L ∆πϕ2=∆Λ=∆Lf c图五滤波放大器方框图2. 实验装置光拍频法测量光速实验装置如图六所示。

高频信号源产生角频率为Ω的超声波信号输入声光频移器，在声光介质中形成驻波声场，介质成为超声相位光栅，632.8nmHe-Ne 激光在通过介质时发生衍射。

任一级衍射光都可用来作本实验的工作拍频光束，一般用一级光，因为信号成分较强。

分近程和远程二路光到达光电检测器，不同光程的光拍频波具有不同的相位。

光拍法测光速

声光效应与光拍法测光速学号200911141012 姓名吴洋日期2011.10.20摘要：本实验以氦氖激光器为光源，首先利用声光效应产生光拍频波，测出其频移Δƒ。

再用光束测量仪以双光束相位比较法测出光速c关键词：拍频，声光效应，驻波法，双光束相位比较法引言：光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度。

光速测量有300多年的历史，伽利略在1607做了世界上第一个测光速的实验，由于条件所限，没有得出确定的结果。

但为以后的实验提供了思路。

此后包括傅科、斐索在内的物理学家用不同方法对光速进行了测量。

现在的光速值由国际计量局推荐 (299792.50±0.10)km/s . 本实验的目的在于使学生掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解；通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

原理：1、光拍波频根据波的叠加原理，两束传播方向相同，频率相差很小的简谐波叠加，即形成拍。

对于振幅都为E 0，圆频率分别为1ω和2ω且沿相同方向（假设都沿x 方向）传播的两束单色光 ])(cos[1101ϕω+-=cxt E E （1）])(cos[2202ϕω+-=cx t E E （2）两式叠加后有)]2()(2cos[)]2()(2cos[221212121021ϕϕωωϕϕωω++-+⨯-+--=+=c x t c x t E E E E （3）当21ωω>，且21ωωω-=∆较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为)]2()(2cos[221210ϕϕωω-+--c x t E ，角频率为221ωω+。

由于振幅以频率πωω221-=∆f 周期性的缓慢变化，我们将之称为光拍频波，f ∆称为拍频。

光拍波频如图1（a ）所示。

图 1 光拍波频的形成及光强在某一时刻的分布2、拍频信号的检验在实验中，我们用光电检验器接收光信号。

光电检验器所产生的电流与接收到的光强（即电场E 的平方）成正比：I=gE 2 （式4）式中g 为光电转换系数。

光拍频法测光速实验报告

光拍频法测光速实验报告
实验目的：利用光拍频法测量光的传播速度。

实验原理：光拍频法是利用干涉现象来测量光速的方法。

当两束光在同一条光路上传播时，由于光波长的差异，会在某个地方发生干涉现象。

若在该地方放置一个光门，当两束光的波长符合一定条件时，光门会打开，此时可以记录光门打开时的时间。

通过改变两束光之间的光路差，可以测出光速。

实验器材：光源、分光镜、准直器、平面镜、光幕、计时器。

实验步骤：
1.调整光源、分光镜和准直器，使得通过分光镜的光能够水平射入光幕。

2.调整平面镜，使得经过分光镜后的光经过平面镜后与原光平行，并能够垂直射入光幕。

3.调整光幕的位置，使得经过平面镜反射后的光能够射到光幕上。

4.打开计时器，并观察光门在不同光路差下是否打开。

5.记录光门打开的时间，并计算出不同光路差下的光速值。

6.重复实验多次，取平均值作为最后的测量结果。

实验结果：
- 在不同光路差下，记录光门打开的时间，得到一组数据。

- 根据光门打开的时间和光路差的关系，计算出光速的值。

实验讨论与分析：
- 实验结果可能会受到实验环境的影响，如温度、大气压等。

- 实验结果的准确性还受到仪器的精度和测量误差的影响。

实验结论：利用光拍频法，可以测量得到光速的值。

然而实验结果还需要进一步验证和修正，以提高测量的准确性。

声光与测速实验报告

声光效应与光拍法测光的速度赵海燕实验时间：2014年9月23日上午8点至下午五点摘要根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，会合成带有低频调制的高频波，即光拍频波。

实验中采用了声光材料的声光效应使超声波在介质内形成驻波，从而使入射的激光发生衍射产生固定的相位差，通过扫描仪，分析固定频率差的两列波，通过移动距离等于波长整数倍的特殊关系，可以轻易算出光速，准确率也非常高。

关键词光拍频波声光效应驻波法光速一、引言光速是最基本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多问题重大问题关系密切。

早在麦克斯韦光的电磁理论建立以前，人们已有了光具有一定传播速度的概念，最初是用天文学方法来测定光速。

其中特别值得提到的是迈克尔逊和他的同事们在1879-1935 年期间，对光速作了多次系统的测量。

实验结果不仅验证了光是电磁波，而且为深入地了解光的本性和为建立新的物理原理提供了宝贵的资料。

激光的出现把光速的测量推向一个新阶段，最先运用激光测定光速的是美国国家标准局(发表于1973 年)。

由于采用了稳频技术，可以得到频率的稳定性与复现性均十分优良的激光辐射，从而使光速的测量精度比以前所有的实验方法都高。

1972 年美国标准局埃文森等人测量了甲烷稳频激光的频率，又以原子的基准波长测定了该激光的波长值，从而得到光速的新数值c=299792458m/s。

此值为1975 年第十五届国际计量大会所确认。

本实验我们采用光拍法测定光速，通过实验使我们加深对光拍频波的的概念的理解，了解声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握光拍法测量光速的技术。

二、原理2.1光拍频波根据波的叠加原理，两束传播方向相同，频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍。

对于振幅都为Ｅ0，圆频率分别为ω1和ω2 ,且传播方向相同的两束单色光（如图1所示）合成低频调制的高频波，即光拍频波前部分为合成波的振幅，随时间缓慢变化，拍频。

声光效应与光拍法测光的速度

声摘要：本实验通过利用声光效应原理及驻波法产生声光频移，利用光拍法测量光速，同时观察了超声波的频率、声光晶体的转角对衍射现象的影响。

在本实验中在超声波频率为Ω=75.055MHz 下侧得的光速大小为c=3.117*10^8m/s关键词：声光效应、频移、双光速相位比较法、光拍频波、驻波法一、引言光速是最基本的物理常数之一，光速的精确测量和特性研究与近代物理学和实验技术的许多重大问题关系密切。

由于光速的数值很大，光波的波长很小，其测量面临着一系列问题。

直到1960年出现激光后，用激光得到现在认为最精确光速值c=(299 792 458±1)m/s 。

声光效应在光信号处理和集成光通讯方面有重要应用。

本实验利用声光效应可以产生光拍频波，最后通过对光拍频波光强信号的检测可以间接地测得光速。

二、实验原理2.1 光拍频波根据波的叠加原理,两束传播方向相同,频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。

对于振幅都为E0，圆频率分别为ω1和ω2，且沿相同方向（假设为沿x 方向)传播的两束单色光1011cos[(-)]x E E t c ωφ=+ 2022cos[(-)]xE E t c ωφ=+它们的叠加为：121212121202cos[()()]cos[()()]2222x xE E E E t t c c ωωϕϕωωϕϕ--++=+=-+⨯-+当ω1＞ω2,且Δω=ω1-ω2较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为121202cos[(-)()]22xE t c ωωϕϕ--+，角频率为122ωω+，振幅以122f ωωπ-∆=频率周期性地缓慢地变化。

（如图1）图1 拍的形成图2、Ic 在某个时刻的空间分布2.2 拍频信号的检测在实验中我们用光电检测器接受光信号，光电检测器所产生的光电流与接受到的光强成正比： 2I gE =……………………………………………………公式 1式中g 为光电转换系数。

光拍频法测量光速.doc

光拍法测量光速光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。

本实验的目的是通过测量光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。

一、实验目的1．掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法 ,并对声光效应有一初步了解。

2．通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、原理根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。

若有振幅相同为 E 、圆频率分别为 1 和 2 （频差12 较小）的二光束：E 1 E 0 cos( 1t k 1 x 1)E 2 E 0 cos( 2 t k 2 x 2)式中 k 12 / 1 ， k 2/2 为圆波数，1 和2分别为两列波在坐标原点的初位相。

若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：图 1 拍频波场在某一时刻 t 的空间分布E E 1E 22E 0 cos[1 2x ) 1212(t x ) 12(t] cos[2 ]2 c2c2上式是沿 x 轴方向的前进波，其圆频率为 ( 12) / 2，振幅为2E 0 cos[(t x ) 1 2f/ 4] ，因为振幅以频率为周期性地变化，所以2c2被称为拍频波， f称为拍频。

如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差与两路光的光程差L 之间的关系仍由上式确定。

当2时， L=, 恰为光拍波长，此时上式简化为：cf，可见，只要测定了和f ，即可确定光速 c 。

为产生光拍频波 , 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。

超声 (弹性波 )在介质中传播 ,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化 ,就使介质成为一个位相光栅。

光拍法测量光速

三、原理和方法：
（一）仪器装置图：
1、G- V型光速测定仪原理方框图：
图一
2、G- V型光速测定仪光路图：
图二
（二）光拍的产生与传播
根据振动叠加原理，两列速度相同、振面相同、频率较小而同向传播的简谐波叠加即形成拍。
若有振幅相同为E0、圆频率分别为ω1和ω2（频差△ω=ω1-ω2较小）的两列沿x轴方向传播的平面光波：
光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率ε0与真空磁导率μ0，里德伯常数R，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度的提高，它是一项十分重要的课题。自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。
1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108m/s。此值的前四位与现在的公认值一致。
如果将光拍频波分为两路，使其通过不同的光程后如射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差与两路的光程差之间的关系仍由上式确定。当时，，即光程差恰为光拍波长，有：
只要测定了和，即可确定光速c。
为高频信号发生器的输出频率。
此时测出的光速是光在空气中的速度，若计算真空中的光速，应乘以空气的折射率，空气的折射率由下式确定：
式中n是空气的折射率，t是室温（0c）,p是气压（），e是水蒸汽压（）， =(1/273)0c,
p0=760 ,b=5.5 10-8 -1,ng由下式决定：
其中，A=2876.04 10-7,B=16.288 10-7 ,C=0.136 10-7 , 为载波波长，单位为。对于氦氖激光器， =632.8nm。

光拍法实验报告

声光效应与光拍法测光的速度摘要：本实验主要是利用声光效应原理及驻波法产生声光频移，利用光拍法测得光在空气中的速度。

声光效应为光通过被声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。

我们利用这一效应产生光拍频波。

再用双光束相位比较法测量光速。

关键词：声光效应、频移、双光速相位比较法、光拍频波引言光速是最基本的物理常数之一，光速的精确测量和特性研究与近代物理学和实验技术的许多重大问题关系密切。

由于光速的数值很大，光波的波长很小，其测量面临着一系列问题。

直到1960年出现激光后，用激光得到现在认为最精确光速值c=(299 792 458±1)m/s 。

声光效应在光信号处理和集成光通讯方面有重要应用。

本实验利用声光效应可以产生光拍频波，最后通过对光拍频波光强信号的检测可以间接地测得光速。

实验原理2.1 光拍频波根据波的叠加原理,两束传播方向相同,频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。

对于振幅都为E0，圆频率分别为ω1和ω2，且沿相同方向（假设为沿x 方向)传播的两束单色光1011cos[(-)]x E E t c ωφ=+ 2022c o s [(-)]xE E t c ωφ=+它们的叠加为：121212121202cos[()()]cos[()()]2222x xE E E E t t c c ωωϕϕωωϕϕ--++=+=-+⨯-+当ω1＞ω2,且Δω=ω1-ω2较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为121202cos[(-)()]22xE t c ωωϕϕ--+，角频率为122ωω+，振幅以122f ωωπ-∆=频率周期性地缓慢地变化。

实际得到的光电流Ic 近似为响应时间τ内光电检测器接收到的光强的平均：20121221cos[()()()]1c x gE t cI Idt τωωϕϕτ⎧⎫⎨⎬⎩⎭=+--+-=⎰……………公式 2在某一时刻t ，置于不同空间位置的光电检测器将输出不同相位的光电流，因此，用比较相位的方法可以间接测定光速。

光拍法测光速

光拍法测量光速前言光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有密切的关系。

历史上围绕运动介质对光的传播速度的影响问题，曾做过许多重要实验；同时在实验上和理论上作过各种探讨，最终导致了爱因斯坦相对论的建立。

光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率ε0与真空磁导率μ0，里德伯常数R ，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。

因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度的提高，它是一项十分重要的课题。

自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。

1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108m/s 。

此值的前四位与现在的公认值一致。

1966年卡洛路斯，赫姆伯格用声光频移法，产生光拍频波，测量光拍频波的波长和频率，测得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s 。

1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用激光作了光速测定。

根据波动基本公式c=λυ，之间测量光波波长与光波频率而求得c 的数值。

因此，于1975年第十五届国际计量大会提出了真空中光速为：c=(299,792,458±1) m/s 。

1983年国际计量局召开的第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中458,792,2991秒时间间隔内所传播的距离，作为长度单位米的定义。

光拍法实验报告

声摘要：本实验主要是利用声光效应原理及驻波法产生声光频移，利用光拍法测得光在空气中的速度。

声光效应为光通过被声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。

我们利用这一效应产生光拍频波。

再用双光束相位比较法测量光速。

由于光速的数值很大，光波的波长很小，其测量面临着一系列问题。

直到1960年出现激光后，用激光得到现在认为最精确光速值c=(299 792 458±1)m/s 。

声光效应在光信号处理和集成光通讯方面有重要应用。

本实验利用声光效应可以产生光拍频波，最后通过对光拍频波光强信号的检测可以间接地测得光速。

实验原理2.1 光拍频波根据波的叠加原理,两束传播方向相同,频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。

对于振幅都为E0，圆频率分别为ω1和ω2，且沿相同方向（假设为沿x 方向)传播的两束单色光1011cos[(-)]x E E t c ωφ=+2022c o s [(-)]xE E t cωφ=+它们的叠加为：121212121202cos[()()]cos[()()]2222x x E E E E t t ccωωϕϕωωϕϕ--++=+=-+⨯-+当ω1＞ω2,且Δω=ω1-ω2较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为121202cos[(-)()]22x E t cωωϕϕ--+，角频率为122ωω+，振幅以122f ωωπ-∆=频率周期性地缓慢地变化。

（如图1）图1 拍的形成图2、Ic 在某个时刻的空间分布2.2 拍频信号的检测在实验中我们用光电检测器接受光信号，光电检测器所产生的光电流与接受到的光强成正比： 2I g E =……………………………………………………公式 1式中g 为光电转换系数。

实际得到的光电流Ic 近似为响应时间τ内光电检测器接收到的光强的平均：20121221cos[()()()]1c x gE t cI I dt τωωϕϕτ⎧⎫⎨⎬⎩⎭=+--+-=⎰……………公式 2在某一时刻t ，置于不同空间位置的光电检测器将输出不同相位的光电流，因此，用比较相位的方法可以间接测定光速。

光拍法测光速两种方法对比

第３３卷第４期大学物理实验Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.４２０２０年８月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＡｕｇ.２０２０收稿日期:２０２０￣０５￣０６∗通讯联系人文章编号:１００７￣２９３４(２０２０)０４￣００４２￣０３光拍法测光速两种方法对比徐宏亮ꎬ余恺歌ꎬ李金玉∗(浙江海洋大学ꎬ浙江舟山㊀３１６０００)摘要:ＣＧ￣Ｖ型光速测量仪是光拍法测光速的仪器ꎮ本文用该仪器采用全波法和半波法测量光速ꎬ多次测量后对两种方法实验结果进行对比ꎬ最后分析两种方法的优缺点ꎮ关键词:光拍法ꎻ全波法ꎻ半波法ꎻ对比中图分类号:Ｏ４￣３４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０２０.０４.０１０㊀㊀光速是最重要的物理常数之一ꎮ光速的精确测定对物理学的发展起着重要的作用ꎬ各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速[１￣５]ꎮ目前光速的测量主要有两大类:天文测量法和实验测量法ꎮ其中实验测量法又主要包括旋转齿轮法㊁微波谐振腔法㊁旋转棱镜法和光拍法等ꎮ光拍法是目前最普遍最准确测量光速的方法ꎬ也是本实验的思想方法ꎮ光拍法具有精度高ꎬ操作相对简单等特点成为了目前大学实验室测量光速最常用的方法之一ꎮ针对使用ＣＧ￣Ｖ型光速测量仪ꎬ本文将采取两种不同的光程差测量方法ꎬ在实验操作和实验效果上进行对比ꎮ在分析两种测量方法的优点和不足之后ꎬ比较出适合的学生实验测量方法ꎮ这对之后的教学和实验操作具有很大的帮助ꎮ１㊀实验原理众所周知ꎬ光速ｃ＝ｓ/Δｔꎬｓ是光传播的距离ꎬΔｔ是光传播ｓ所需的时间ꎮ例如ｃ＝ｆλ中ꎬλ相当上式的ｓꎬ可以方便地测得ꎬ但光频ｆ大约为１０１４Ｈｚꎬ由于没有那样的频率计ꎬ同样传播λ距离所需的时间Δｔ＝１/ｆ也没有比较方便的测量方法ꎮ如果使ｆ变得很低ꎬ例如３０ＭＨｚꎬ那么波长约为１０ｍꎮ这种测量还是十分方便的ꎮ这种使光频变低的方法就是所谓光拍频法 ꎬ简称光拍法 ꎮ本实验利用激光束通过声光移频器ꎬ获得具有较小频差的两束光ꎬ它们迭加则得到光拍ꎻ利用半透镜将这束光拍分成两路ꎬ当接收器接受到远近两种光信号时示波器上就会显示两种波形ꎮ然后分别用全波法和半波法两种方式测量光程差来获得波长ꎬ同时记录数字频率计上的数值ꎬ通过不同的计算公式分别测得光速ꎮ１.１㊀光速的测量实验通过实验装置获得两束光拍信号ꎬ在示波器上对两光拍信号的相位进行比较ꎬ测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率ꎬ从而测出光速值ꎮ方法一(全波法)其光路图(如图１)ꎬ首先移动两块可移动滑块Ａ和Ｂ直到示波器荧光屏上的两光束的波形重叠(如下图２)ꎬ此时远近光程差应该为一个波长ꎮ分别测量远近两光传播的路程ꎮ其中远光程Ｌ１的测量分段如上图所示:ａꎬｂꎬｃꎬｄꎬｅꎬｆ段ꎬ再加上光在３块全反射棱镜中的路程分别为ｇ１ꎬｇ２ꎬｇ３ꎬ所以Ｌ１＝ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ１＋ｇ２＋ｇ３ꎮ近光程为:ｈꎬ所以Ｌ２＝ｈꎮ那么两束光的光程差Ｌ＝Ｌ１－Ｌ２ꎮ由公式ｃ＝Δλ Δｆ＝Ｌ (２Ｆ)便可测得光速值ｃꎮ式中Ｌ为光程差ꎬＦ为功率信号发生器的振荡频率ꎮ方法二(半波法)的光路图(如图３)ꎬ首先将可移动滑块Ａ和Ｂ都滑到靠近接收器一端ꎬ然后先滑动可移动滑块Ａ直到两波波峰与波谷相对(如下图４)ꎬ再滑动可移动滑块Ｂ直到两波完全重叠(如下图５)ꎬ最后测量第二块全棱反射镜移动的距离为ｊꎮ两光拍信号的相位差由π变为２πꎬ那么所测出滑块Ｂ改变的距离ｊ应是四分之一的波长ꎬ再由公式ｃ＝Δλ Δｆ＝４ｊ (２Ｆ)ꎬ便可测得光速值ｃꎮ式中Ｆ为功率信号发生器的振荡频率ꎮ图１㊀全波法光路图图２㊀两光拍波形重叠图３㊀半波法光路图图４㊀光拍相位相差π图５㊀光拍相位相差２π３４光拍法测光速两种方法对比２㊀两种方法的实验数据记录两种方法的实验数据记录见表１ꎬ表２ꎮ表１㊀采用全波法实验所测数据次数近光程ｈ/ˑ１０－２ｍ远光程Ｌ１/ˑ１０－２ｍａｂｃｄｅｆｇ１ｇ２ｇ３ｃ/ˑ１０８ｍ相对不确定度/％百分差/％１１３.３５７.２８４.４５７３.５８７６.３５６１.０５６５.０１６.００６.００６.００２１３.４１７.３１４.５２７３.４５７６.４８６１.１０６５.２１６.００６.００６.００３１３.４５７.３８４.６１７３.５２７６.５２６１.２１６５.１５６.００６.００６.００２.９３６００.１８２.１４１３.３５７.３０４.５２７３.６０７６.４５６１.１５６５.２０６.００６.００６.００５１３.５１７.３５４.６５７３.３８７６.５０６１.１８６５.１２６.００６.００６.００表２㊀采用半波法实验所测数据次数ｊ/ˑ１０－２ｍｊ/ˑ１０－２ｍＦ/ˑ１０６Ｈｚｃ/ˑ１０８ｍ/ｓ相对不确定度/％百分差/％１７５.０８２７４.９２３７４.６０７４.８０５０.１４１８３.０００２.７０.０７４７４.４９５７４.９２３㊀结㊀论本实验采取的两种方法在仪器的调节难度上差不多ꎮ但对学生而言ꎬ本实验仪器需要调节的地方较多ꎬ对学生的动手能力有较大的考验ꎬ虽然测量数据不难但仪器调节所花时间较长ꎬ导致很多同学测量效果不好ꎮ再看两种方案的比较ꎬ方法一的百分差为２.１％ꎬ方法二的百分差为０.０７％ꎮ很明显方法二大大的降低了实验误差ꎮ方法一的优点是可以任意移动可移动滑块Ａ和Ｂꎬ且只需一次判断波形重叠即可ꎮ但是却有多段距离的测量ꎬ这对学生的耐心ꎬ细心还有测量水平ꎬ估值能力都有很大的考验ꎬ这就是方法一误差的最主要来源ꎬ不仅增加了实验的复杂性ꎬ也延长了实验的时间ꎮ而方法二的缺点是对可移动滑块Ａ和Ｂ有了明确的起始位置和先后的移动顺序ꎬ而且还需要两次波形位置的确定ꎬ这两次相位的判断就是方法二误差的最主要来源ꎬ但是它只需测量可移动滑块Ｂ的改变距离即可ꎬ这大大降低了实验测量产生的误差ꎬ也就间接的提高了实验的精度ꎬ再者在后续的数据处理上方法二比方法一也是简单的多ꎮ总体上看ꎬ方法二具有精度更高ꎬ操作更加便捷的优点ꎬ所以目前我校学生更愿意采取第二种方法进行测量ꎮ参考文献:[１]㊀蔡秀峰ꎬ蔡德发.光速测量方法的改进[Ｊ].大学物理ꎬ２００７ꎬ２６(３).[２]㊀刘源ꎬ郭伟盛ꎬ冯建斌ꎬ等.光拍法测光速的实验误差分析及方法改进[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１７(１). [３]㊀刘富池ꎬ孔文婕ꎬ唐妍梅ꎬ等.光拍频法测光速实验研究[Ｊ].广西物理ꎬ２０１８ꎬ３９(１):１０￣１３. [４]㊀陆秋夏ꎬ林祖杰ꎬ尹会听.光拍法测量光速实验精度影响因素的研究[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１６ꎬ２９(１):１１￣１４.[５]㊀胡超ꎬ竺江峰.光速测量仪中的远程光光程测量方法的改进[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１３ꎬ２６(２).ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＴｗｏＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＶｅｌｏｃｉｔｙｏｆＬｉｇｈｔｂｙＯｐｔｉｃａｌ￣ＢｅａｔＭｅｔｈｏｄＸＵＨｏｎｇｌｉａｎｇꎬＹＵＫａｉｇｅꎬＬＩＪｉｎｙｕ∗(ＺｈｅｊｉａｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＺｈｏｕｓｈａｎ３１６０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｇ￣Ｖｌｉｇｈｔｓｐｅｅｄｔｅｓｔｅｒｉｓａｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｌｉｇｈｔｂｙｏｐｔｉｃａｌ￣ｂｅａｔｍｅｔｈｏｄ.Ｗｅｕｓｅｔｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｏｍｅａｓｕｒｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｌｉｇｈｔｕｓｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｗａｖｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｈａｌｆｗａｖｅｍｅｔｈｏｄ.Ａｆｔｅｒｍａｎｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓꎬｗｅｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｐｔｉｃａｌ￣ｂｅａｔｍｅｔｈｏｄꎻｔｈｅｗｈｏｌｅｗａｖｅｍｅｔｈｏｄꎻｔｈｅｈａｌｆｗａｖｅｍｅｔｈｏｄꎻｃｏｎｔｒａｓｔ４４光拍法测光速两种方法对比。

光拍法测光速实验实验报告

光速平均值
c / 10 (m s )
8 1
相对不准确度/% 1.56
标准差S 0.05
50.00
2 2
13.80 14.00
308.00 310.00
294.20 296.00
2.942 2.960
2.951
表 1 光速测量数据及结果
6 实验结果及分析
实验测得光速平均值为 2.951×108m/s，与真空中光速值 2.99792×108m/s 比较，实验结果的相对不确定度为 1.56%，标准差为 0.05，在误差应许的范围内。实验测量的光速低于真空中光速是由测量仪器处在空气环境中所致，实际为空气中光的传播速度。取空气折射率为 1.0003，将实验测得的光速平均值折合成真空中光速为 2.952×108m/s。此时，相对不确定度为 1.53%，标准差为 0.04，结果优于前文。
差为 2 时，光程差为光拍波的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合.由公式 c f LF ，便可测得光速值 c 。若二光拍信号的相位差为时，光程差为光拍波的半波长
，示波器荧光屏上的二光束的波形相差半 2
个波长而不重合。式中 L 为光程差, F 为功率信号发生器的振荡频率。 3.5 仪器工作原理
(7) 用斩光器挡住近程光，调节半反镜<8>全反镜<6，7>三棱镜<10，11，12> 经半反镜<9>与近程光在半反镜上的相同的路线入射到光敏管的光敏面中心点
上。示波器上应看到光拍波形出现。 (6)， (7)两步骤应反复调节，直至达到要求。 (8) 光电二极管（即它的光敏面）的方位可通过调节装置<20、21>反复仔细调节，使波形振幅值最大。 (9) 检查示波器是否工作在外触发状态。接通斩光器的电源开关，调节斩光器频率控制旋钮，在示波器上显示出近程光和远程光稳定的信号波形。 (10) 移动棱镜<11、12>改变远近光程差，可使相应二光拍信号同相（相位差为 2 ）。 (11) 测量光程差 L , 拍频 f 2 F , 其中 F 为功率信号源的振荡频率。 (12) 根据公式 C 若，则 L

光拍频法测量光的速度预习、实验报告、原始数据表资料

广东第二师范学院实验预习报告院（系）名称物理系班别姓名专业名称物理教育学号实验课程名称近代物理实验实验项目名称光拍频法测量光的速度【实验目的】1、了解光速测定仪的内部结构。

2、学会使用光速测定仪。

3、掌握利用示波器，光速测定仪测量光程，时间，计算光速。

【实验原理简述】如果光信号的调制频率为? ，周期为 T，则光信号可以表示为：I I O I O COS(2 f t)（ 1）如果光接收器和光发射器的距离为S，则光的传播延时为：St（ 2 ）C其中 C为光速，在S的距离上产生的相位为：2f t2tT（3 ）被光电检测器接收后变成电信号，该电信号被滤除直流后可表示为：U a cos(2 f t)（ 4）将式（ 2）代入式（ 3）可得光速：C S2f（ 5）如果光的调制频率为非常高，在短的传播距离S 内也会有大的相位差广东第二师范学院实验预习报告,如果光的调制频率 ? =60.00MHZ，则 S=5M时就会使光信号的相位移达到一个周期2，然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的数字示波器不能用于高频信号的相位差测量。

设在接收端还有一个高频信号? ，=59.90MHZ作为参考信号。

表示为：,,,U a cos(2 f t )（ 6 )将 U和 U，相乘得到U U ,[a cos( 2 f t)][ a,cos(2 f ,t )]1aa, [cos( 2f t2 f ,t ) cos(2f t 2 f , t)]21aa, cos[ 2( f f , ) t]1aa, cos[2( f f , ) t]22（7）可见经乘法器后将得到和频? +? =60.00+59.90=119.00MHZ 和差频 ? - ? =60.00-59.90=100KHZ 的混合信号。

将该混合信号通过一个中心频率为100KHZ的带宽为 10KHZ的滤波器后，和频信号将被滤除，差频信号将保留。

（7）式将变为：U 1a1 COS(2 f 1 t)（8）该信号的频率仅为100KHZ，可以很容易的被低频示波器观测到。

光拍法测光速的实验结果分析

光拍频法测量光的速度

光拍频波和光速测量

最新光拍法测光速

光拍法测光的速度实验报告

光速测量研究性实验报告

光拍频测量光速实验

光拍法测光速

光拍频法测光速实验报告

声光与测速实验报告

声光效应与光拍法测光的速度

光拍频法测量光速.doc

光拍法测量光速

光拍法实验报告

光拍法测光速

光拍法实验报告

光拍法测光速两种方法对比

光拍法测光速实验实验报告

光拍频法测量光的速度预习、实验报告、原始数据表资料